0 引言
多普勒甚高频全向信标简称DVOR（Doppler VHF Omnidirectional Radio Range），是一种得到国际公认的高精度近程相位测角导航系统，在世界各国民航中被广泛应用。VRB-53D型设备是INDRA公司生产的DVOR产品。在沿海地区，空气中盐分较多，DVOR设备室外天线部分容易受到腐蚀，导致设备故障。另外根据该设备的用户反映，其天线系统多次出现虚焊现象。因此，研究设备天线工作原理，分析排故思路与调整方法，对设备维护工作有很大的意义。
1 VRB-53D型全向信标介绍
相比前一代产品VRB-52D型设备，VRB-53D型设备的集成化程度更高。设备的配置设置调整也由原来的硬件实现改为软件控制。VRB-53D型全向信标包含一个主机柜与一套天线系统。主机柜包括：信号产生单元、边带功率放大器、载波功率放大器、继电器切换单元、天线分配开关、监控器接收单元、控制和监视单元、网络管理处理器、本地控制单元以及电源单元。天线系统包括1个载波天线、48个边带天线以及1个监控天线。
2 阿尔福特环形天线原理
VRB-53D型DVOR设备使用的是阿尔福特环形天线。这种天线可以在水平面上发射一个具有无方向性的水平极化波。阿尔福特环形天线本质上是一对用水平对称振子折成的方形天线。这种天线单元的边长L约为(1/5-1/4)λ，在两角方向形成两个板状电容器，同时调节其电容量大小，使得每一边在中点部位电流振幅最大，角部位电流最小。通过调整电容片的间隔和偶极臂长度来设置108-118 MHZ范围内的每个频率的最佳匹配。
图1 阿尔福特环形天线
3 天线系统故障现象
当发射天线系统出现故障时，一般会产生以下现象：
设备监控参数Alarms—NOTCH出现告警提示，包括天线缺口数量与出现缺口的对应天线号码。
设备本地控制单元出现告警提示，在图形界面中可以看到故障天线的号码。
使用示波器连接设备MRU单元的TP100:19测试口。在电脑监控系统页面Test/ MRU，选择“9960sc”作为MRU的TP100:19波形。在示波器上显示副载波波形。可以发现波形出现缺口。
图2 MRU TP100:19 9960sc的副载波波形
当监控天线系统出现故障时，一般会产生射频电平告警、方位角告警等参数告警。
4 天线系统故障检测方法
故障排查，第一步应判断设备故障原因是单机故障还是公共部分故障。判断方法是切换发射机，检查是否双机告警，是否告警现象一致。若开启两部发射机均出现同样告警现象，则可初步判断公共部分出现故障。
如果确认公共部分故障，则可进一步判断是发射系统故障还是监控系统故障。判断方法是在远场架设另一监控天线，把监控信号接入外场接收机，检查外场信号是否有异常，与设备监控参数是否一致。如果外场测试信号有异常，则可判断发射系统有故障；如果外场测试信号正常而设备监控参数不正常，则可判断监控系统有故障。
接下来可以对发射系统或者监控系统的公共部分进行逐段排查，缩小范围，最终定位故障点。
如果经排查确认是发射天线系统有故障，首先需要检查天线外观。查看外观是否完整，有无破损；检查电缆连接是否紧固、有无锈蚀情况；观察天线罩表面是否有污垢，玻璃纤维表面是否有老化现象，必要时用清水对天线罩进行清洁。
检查完外观，使用网络分析仪等仪表对天线系统进行测试。把怀疑有故障的天线从机柜端断开，使用网络分析仪连接天线馈电电缆，测量其回波损耗，确定是否存在问题。若确定该天馈通路出现问题，则可以逐段检查，进一步确定是电缆、接头还是天线振子出现故障。
如果确认是监控天线系统有故障，应重点检查连接接头是否紧固，有无进水情况，电缆是否有破损。然后使用网络分析仪等仪表检测，确认是电缆、接头还是天线振子出现故障。
5 天线系统调整
对故障部件进行修复后，需要重新调整天线系统。对于载波天线，需要调整偶极臂长度与电容间距、圆度测试调整以及阻抗匹配线修正；对于边带天线，需要调整偶极臂长度与电容间距以及边带均衡调整；对于监控天线，需要进行监控参数校准。
载波天线偶极臂长度与电容间距调整，需要查找设备手册表格，对应设备工作频率设置。表中没有的频率，可以通过其他频率的设置值按比例推算。
载波天线圆度测试，需要参照图3连接测试仪表，按以下步骤进行：
（1） 标记载波天线方位；
（2） 网络分析仪设置S21参数并校准；
（3） 在Test/Antenna菜单，选通边带天线a4,a7,a10,a13,a28,a31,a34 和a37；
（4） 载波天线连接网络分析仪端口1，1号边带天线连接网络分析仪端口2，记录下测量的相位；
（5） 用7、13、19、25、31、37、43号边带天线重复步骤4；
（6） 载波天线逆时针旋转90°四次，每次均重复步骤4和5；
（7） 按照图4计算各接收天线位置的相位平均值；
（8） 将相位值在坐标中连成一条平滑的曲线。
检查相位值的变化是否小于3°，若不满足，则需要“差动式”调节载波天线的两组电容片，即其中一组电容间距调大一定数值，另一组电容间距调小同样的数值，直至圆度测试满足要求。
图3 圆度测试方法 图4 相位平均值计算
载波天线阻抗匹配，需要使用网络分析仪测量天线振子的阻抗，通过史密斯圆图计算匹配线长度以及接入的位置。
边带天线偶极臂长度与电容间距调整，需要查找设备手册表格，对应设备工作频率设置。表中没有的频率，可以通过其他频率的设置值按比例推算。初设完成后，需要把每根天线连接网络分析仪测试并进一步调整，直至满足匹配要求。
边带天线均衡调整，需要参照图5连接测试仪表，按以下步骤进行：
（1） 将Alarm Inhibit设为ON，关闭RF电源，将RPA拔出，重新打开RF电源；
（2） 设置矢量电压表的频率并选择A/B模式，载波天线接矢量电压表的B端口， 其中一根正常天线（如25号天线）输出口通过30dB衰减器接至矢量电压表的A端口；
（3） 设置设备软件，使连接A端口的天线发射USB、0°相位的CW信号，另一根正常天线（如1号天线）发射USB、0°相位的CW信号，其他天线不发射信号，同时设置待测天线（如1号天线）两边的天线都连接50欧姆负载；
（4） 此时矢量电压表会有读数，将该读数归零；
（5） 更改软件设置，把上述1号天线改为修复好的边带天线；
（6） 在configuration—antennas菜单下，更改修复天线的Phase Offset Adjust值，使得矢量电压表的相位读数为零。
图5 边带天线均衡调整
方位角、30Hz调制度、副载波调制度等参数校准，需要参考设备故障前的监控参数，调整对应监控器偏置设置。
监控输入电平校准，需要按以下步骤进行：
（1） 进入设备软件Configuration/Mon菜单，调节Monitor Input Attenuator和Monitor ADC Level 的值，直至“Receive Level”的值最接近-18.0dBFs；
（2） 确认此时“Monitor Level”显示为Normal，而不是Saturated；
（3） 点击Save Monitor Input Level的OK键，完成输入电平校准；
（4） 用功率计测量当前的接收信号强度并加以记录。
6 结语
VRB-53D型全向信标设备的故障，室外天线问题的比例较大。对于设备维护部门，需要重点关注设备室外天线，定期进行防锈防腐蚀处理。在定期维护中，做好参数的测试记录以及存档。同时，也要熟悉天线系统的排故与调整方法，以便在出现故障时，快速定位故障并修复设备。
参考文献
[1] 倪育德，卢丹，王颖，崔铭. 导航原理与系统. 清华大学出版社，2015.
[2] 吴德伟. 导航原理. 电子工业出版社，2015.
[3] VRB-53D技术手册，2013.
作者简介：俞立鹏，1986-，男，汉族，广东肇庆人，本科，工程师，研究方向为民航导航技术。
